Чем заправлять водородный автомобиль

Водородные заправочные станции

Электротранспорт на водородных топливных элементах набирает все большую популярность. Это неудивительно – использование водорода в качестве источника электричества для силовой установки позволяет решить основные проблемы электромобилей – продолжительное время зарядки и небольшой пробег. При этом транспортное средство на водороде также не дает выхлопа и работает практически бесшумно, но заправить его можно всего за несколько минут, а дальность пробега без дозаправки становится такой же, как и у традиционных бензиновых авто.

По данным Международного энергетического агентства, только в 2021 году в мире продано около 8 тысяч автомобилей на водородных топливных элементах. Европейская экономическая комиссия ООН оценивает количество водородных автомобилей в 15 тысяч и считает, что их количество будет только расти. Эксперты предполагают, что к 2050 году в мире четверть транспорта будет использовать в качестве источника энергии водород.

В России также активно идет работа над развитием водородного транспорта. До 2024 года будет выделено финансирование на федеральный проект «Электроавтомобиль и водородный автомобиль». В список пилотных территорий для развития электро- и водородной заправочной инфраструктуры вошли восемь регионов страны.

Основным фактором, сдерживающим развитие водородного транспорта в России, пока является отсутствие заправочной инфраструктуры. Однако в планах правительства Российской Федерации запуск первых 100 заправочных станций для водородного транспорта уже к 2025 году.

Пока единственная действующая водородная заправка, для автономности оснащенная промышленным бесщелочным генератором водорода производства ООО «Поликом», находится на территории ФИЦ ПХФ и МХ РАН в городе Черноголовка Московской области. Этот экспериментальный объект предназначен для испытаний различных типов водородного транспорта.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ (ВЗС)

Типичная цепочка работы ВЗС обычно включает в себя:

• Источник водорода (обычно это электролизер, установка по производству водорода из метана, источник привозного водорода)
• Промежуточный накопитель водорода низкого давления
• Модуль заправочной станции
• Промежуточный накопитель водорода высокого давления
• Заправляемое транспортное средство

Иногда некоторые узлы этой цепи изготавливают объединенными с другими

МОДУЛЬ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ

Модуль заправочной станции обеспечивает сжатие водорода до 400 бар, а также коммутацию водорода для заполнения накопителя водорода высокого давления и последующей быстрой заправки транспорта

Типичный состав модуля заправочной станции:

• Утепленный контейнер со всеми необходимыми системами
• Мембранный компрессор на давление 400 атм
• Порты для подключения накопителя высокого давления
• Шкафы электроавтоматики и системы безопасности
• Газовая подсистема
• Заправочный пистолет и узел учета
• Система управления для согласования с модулем генератора водорода

ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЗС НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА (ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА) ПОЛИКОМ ДЛЯ ЗАПРАВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С РАБОЧИМ ДАВЛЕНИЕМ 350 АТМ

Генератор водорода производит водород, который запасается под давлением до 40 атм в накопителе низкого давления. По мере его заполнения включается водородный компрессор, который перекачивает водород в накопитель высокого давления, где он запасается при 400 атм.

Заправка транспортного средства осуществляется с помощью заправочного рукава и пистолета путем перепуска водорода из накопителя высокого давления в бак транспортного средства. При этом контролируется скорость перетекания водорода, его температура и давление. Узел учета фиксирует указанные параметры, а также вычисляет количество поступившего водорода.

Во избежание перегрева бака транспортного средства обычно производят переохлаждение водорода «на лету» во время процесса заправки. Для этих целей используют охладитель водорода на базе низкотемпературного чиллера.

В более современных протоколах заправки используется инфракрасный интерфейс для обмена данными между транспортным средством и заправочным пистолетом. С помощью этого интерфейса транспортное средство в режиме реального времени сообщает ВЗС о состоянии собственного бака, в частности о давлении водорода, температуре и степени заполнения.

Одна заправка водородного авто обойдется в 4 рубля 15 копеек

Honda выпустит на дороги автомобиль с водородным двигателем

В ближайшее время на рынок водородных автомобилей планирует выйти Honda. Этот автоконцерн начинает продажи модели FCV в 2016 году. Южнокорейский автопроизводитель Hyundai также намерен создать водородный автомобиль. Работы над экологически чистой новинкой уже начались, ее планируют выпустить к Олимпиаде-2018, которая будет проходить в Южной Корее.

Напомним, что прорыв в энергетике без углеводородов, то есть без нефти и газа, совершили в Японии. Toyota почти два года назад начала серийный выпуск модели Mirai, который работает на водороде. Автомобиль имеет гибридный электроводородный «движок». Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Мощность электромотора составляет 136 лошадиных сил. Вместо вредного выхлопа двигатель производит чистую воду.

Одной заправки хватит на 650 километров, и обойдется она на наши деньги в 4 рубля 15 копеек (бензиновый автомобиль съест 2470 рублей). Стоимость инновационного автомобиля в Японии составит около 60 тысяч долларов. Правительство страны уже объявило, что все покупатели новых экологичных авто будут субсидированы на сумму в размере 17 тысяч долларов.

Но не всем этот прогресс придется ко двору. Как рассказал «Российской газете» старший научный сотрудник Института экономики РАН Иван Капитонов, современная американская экономика очень сильно заточена на технологию двигателя внутреннего сгорания (ДВС). «Новые альтернативные энергетические и двигательные технологии, — говорит эксперт, — если они смогут оказать экономическую конкуренцию ДВС, способны существенно осложнить жизнь американской экономики. Может быть поставлена под сомнение «сланцевая революция», построенная на кредитные деньги, которые надо возвращать еще 15 лет».

В США может появиться много безработных, начиная от геологов, заканчивая электромонтерами. Если дома и транспорт будут оборудованы водородными генераторами, то отпадет необходимость в атомной и гидроэлектроэнергетике, станут не нужны и ЛЭП, передающие электричество, подешевеет металл.
Между тем главный редактор сайта «За рулем.РФ» Артур Саруханов сомневается, что будущее именно за водородным двигателем. По его словам, разработка двигателей на водородных ячейках очень затратная.

«Тем временем каждый уважающий себя автопроизводитель заявил, что через 5 лет в своей модельной линейке будет иметь, по меньшей мере, по одному электрокару», — говорит собеседник «РГ». Он обращает внимание, что электродвигатели легче внедрить в массы, так как их производство не так затратно. К примеру, чтобы создать сеть водородных заправочных станций, требуется на порядок больше инвестиций, чем на создание электрозарядных станций.

Три минуты на заправку: Россия тестирует машину на водороде

Водородная машина производит довольно много воды. При условии, что энергия для расщепления воды будет производиться солнечными панелями или силой ветра, то водородное топливо по истине можно считать абсолютно экологически безвредным. И главное, все необходимые технологии не просто есть, но и уже работают.

Ученые из Черноголовки создали генератор сверхчистого первого элемента таблицы Менделеева. Это значительно удешевит процесс производства водородного топлива. Установка вырабатывает его из обычной воды. Как такое возможно и когда машины начнут заправляться этим газом?

Не торопясь, аккуратно, автомобиль подъезжает к колонке.

– Мне чистый, водородный.

Первая в России опытная водородная заправочная станция работает на территории Института проблем химической физики РАН. Процесс заправки мало чем отличается от такового на обычной АЗС Разве, что пистолет герметичный.

– Да. За три минуты?

Машина, по сути, обычный электромобиль, только вместо аккумуляторов – водородное топливо. Объем бака, в сравнении с бензиновыми, крошечный.

На топливе в 5,5 килограмма машина может проехать 600 километров пути. А потом можно снова заправиться, всего за три минуты.

Причем даже сейчас, при опытном производстве, цена топлива на километр пути ниже, чем бензин и дизель.

– Условно, килограмм водорода по себестоимости электричества мы получаем около трехсот рублей, – поясняет заместитель руководителя центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии ФГБУН института проблем химической физики РАН Алексей Левченко.

Производит топливо будущего установка, сделанная полностью из российских компонентов. И получают топливо из обычной водопроводной воды.

Этот электрохимический процесс на самом деле известен человечеству уже почти двести лет. При электролизе, под воздействием электрического тока, вода расщепляется на исходные молекулы. На одном электроде собирается кислород, на другом – водород.

Проблемой всегда было, как хранить полученный газ. В подмосковном институте его научились сильно упаковывать.

– Это тысяча двести литров водорода в пересчете на газообразное состояние, – демонстрируется компактный бак.

Российское ноу-хау в том, что газ внутри находится не в привычном, сжиженном состоянии, а в атомарной форме. Давление внутри – не больше, чем в автомобильной шине.

– Это наша разработка. Мы компактно, безопасно храним водород при относительно низком давлении, по сравнению с давлением, при котором он хранится в обычных баллонах», – поясняет завлабораторией водородного аккумулирования ФГБУН института проблем химической физики РАН Борис Тарасов.

Такой баллон называется водородный аккумулятор. Для того, чтобы получить из газа электроэнергию, его нужно подать на топливные элементы. На вид это обычные металлические пластины, собранные в гармошку.

– Здесь мощность порядка 100-120 ватт. Как пример, самый мощный ноутбук потребляет такую же мощность, – приводит пример для сравнения Алексей Левченко.

Чем больше топливный элемент, тем больше мощности.

В институте экспериментируют почти со всем, у чего есть электродвигатель. С небольшим автобусом – прототипом городского транспорта. В воздух уже поднялись десятки коптеров. На небольшом водородном аккумуляторе они парят в воздухе почти час. Протестирован беспилотник, своей очереди ждет небольшой самолет. Но самое поразительное даже не в том, что сырьем для его изготовления служит обычная вода, А то, что дав энергию, все возвращается в начало.

Последние дни на улице довольно дождливо. С водородной машиной примерно то же самое: она тоже производит довольно много воды, причем это ее выхлоп. Выхлоп – обычная вода, на вкус – вода как вода.

При условии, что энергия для расщепления воды будет производиться солнечными панелями или силой ветра, то водородное топливо по истине можно считать абсолютно экологически безвредным. И главное, все необходимые технологии у нас не просто есть, но и уже работают.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей. Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды. Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде. В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС. В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде. Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8]. Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода. В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов. В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км. Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника. Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.